(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023170844
(43)【公開日】2023-12-01
(54)【発明の名称】半導体モジュール、半導体装置、及び車両
(51)【国際特許分類】
H01L 21/60 20060101AFI20231124BHJP
【ＦＩ】
H01L21/60 301A
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022082908
(22)【出願日】2022-05-20
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004185
【氏名又は名称】インフォート弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼野 翔
【テーマコード（参考）】
5F044
【Ｆターム（参考）】
5F044AA02
5F044AA18
5F044AA19
5F044AA20
(57)【要約】
【課題】半導体モジュールにおける配線部材とボンディングワイヤとの間での放電を抑制する。
【解決手段】半導体モジュール（１）は、積層基板（２）の第１の表面上に配置された半導体素子（３３）と、積層基板における半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板（２３）と半導体素子における積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面とを電気的に接続する複数のワイヤ（４１ａ～４１ｈ）と、第１の方向とは異なる第２の方向で複数のワイヤと向かい合い、半導体素子の第１の面から第２の面に向かう方向に延伸する配線部材（５３）とを含み、複数のワイヤのうちの、第２の方向でみた半導体素子との接続部から配線部材までの距離が最も近いワイヤ（４１ａ）は、半導体素子との接続部と導電板との接続部との間の中間部の第２の方向でみた位置が、２つの接続部を結ぶ線分よりも配線部材から遠方にある。
【選択図】図１
【解決手段】半導体モジュール（１）は、積層基板（２）の第１の表面上に配置された半導体素子（３３）と、積層基板における半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板（２３）と半導体素子における積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面とを電気的に接続する複数のワイヤ（４１ａ～４１ｈ）と、第１の方向とは異なる第２の方向で複数のワイヤと向かい合い、半導体素子の第１の面から第２の面に向かう方向に延伸する配線部材（５３）とを含み、複数のワイヤのうちの、第２の方向でみた半導体素子との接続部から配線部材までの距離が最も近いワイヤ（４１ａ）は、半導体素子との接続部と導電板との接続部との間の中間部の第２の方向でみた位置が、２つの接続部を結ぶ線分よりも配線部材から遠方にある。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁板の第１の表面に複数の導電板が設けられた積層基板と、
前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、
前記絶縁板の前記第１の表面における前記半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板と前記半導体素子における前記積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面の電極とを電気的に接続する複数のワイヤと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向で前記複数のワイヤと向かい合い、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に延伸する、前記複数のワイヤと電気的に接続される前記導電板と電気的に独立した配線部材とを含み、
前記複数のワイヤのうちの、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近いワイヤは、前記半導体素子との接続部と、前記導電板との接続部と、の間の中間部の前記第２の方向でみた位置が、前記２つの接続部を結ぶ線分よりも、前記配線部材から遠方にある、
半導体モジュール。
前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、
前記絶縁板の前記第１の表面における前記半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板と前記半導体素子における前記積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面の電極とを電気的に接続する複数のワイヤと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向で前記複数のワイヤと向かい合い、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に延伸する、前記複数のワイヤと電気的に接続される前記導電板と電気的に独立した配線部材とを含み、
前記複数のワイヤのうちの、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近いワイヤは、前記半導体素子との接続部と、前記導電板との接続部と、の間の中間部の前記第２の方向でみた位置が、前記２つの接続部を結ぶ線分よりも、前記配線部材から遠方にある、
半導体モジュール。
【請求項2】
前記半導体素子の前記第１の面の電極が、前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面に設けられた、前記複数のワイヤが接続される導電板とは異なる導電板と電気的に接続されており、
前記配線部材は、前記半導体素子の前記第１の面の前記電極が電気的に接続された前記導電板と電気的に接続されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。
前記配線部材は、前記半導体素子の前記第１の面の前記電極が電気的に接続された前記導電板と電気的に接続されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項3】
前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近い前記ワイヤの前記中間部は、前記半導体素子の前記第２の面からの高さが、他のワイヤのうちの少なくとも１本のワイヤの中間部の前記半導体素子の前記第２の面からの高さと異なる、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項4】
前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近い前記ワイヤの前記中間部は、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向で、他のワイヤのうちの少なくとも１本のワイヤの中間部と重なる、
請求項３に記載の半導体モジュール。
請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項5】
前記第２の方向及び前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向を含む平面で見た前記複数のワイヤの前記中間部の配列が、前記第２の方向における前記半導体素子の中心線で線対称になっている、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項6】
前記第２の方向及び前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向を含む平面で見た前記複数のワイヤの前記中間部の配列は、前記複数のワイヤの総数ｎと前記第２の方向のワイヤの数ｎｃとで表される効果係数α＝（ｎ－ｎｃ）／（ｎ－１）が０．５以上である、
請求項５に記載の半導体モジュール。
請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項7】
前記複数のワイヤは、長さが等しい、
請求項１に記載の半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項8】
前記複数のワイヤの、前記半導体素子の前記第２の面との接続端の前記第１の方向での位置が２通り以上である、
請求項７に記載の半導体モジュール。
請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項9】
前記複数のワイヤのうち、前記中間部の前記半導体素子の前記第２の面からの高さが異なる２本のワイヤは、前記接続端の前記第１の方向での位置が異なる、
請求項８に記載の半導体モジュール。
請求項８に記載の半導体モジュール。
【請求項10】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の半導体モジュールと、
前記半導体モジュールにおける前記絶縁板の前記第１の表面とは反対の第２の表面側に配置された冷却器と、を備える、
半導体装置。
前記半導体モジュールにおける前記絶縁板の前記第１の表面とは反対の第２の表面側に配置された冷却器と、を備える、
半導体装置。
【請求項11】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の半導体モジュール、又は請求項１０に記載の半導体装置を備える、
車両。
車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体モジュール、半導体装置、及び車両に関する。
【背景技術】
【0002】
インバータ装置等の電力変換装置に利用される半導体モジュールは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子が実装された基板を有する。
【0003】
この種の半導体モジュールにおける上記の基板には、絶縁板の表面（主面と呼ばれることがある）に設けられた複数の導体パターンが設けられており、複数の導体パターンのうちの少なくとも１つの導体パターンの上に半導体素子が配置されたものがある。複数の導体パターンのうちの第１の導体パターンの上に配置された半導体素子は、半導体素子と第１の導体パターンとの間に位置するはんだ等の接合材により、第１の導体パターンと向かい合う面の電極が第１の導体パターンと電気的に接続される。また、半導体素子における第１の導体パターンと向かい合う面とは反対側の面の電極は、ボンディングワイヤにより第２の導体パターンと電気的に接続される。
【0004】
電力変換装置に利用される半導体モジュールでは、大電流を流すために、１つの半導体素子の電極と１つの第２の導体パターンとが複数のボンディングワイヤにより接続される。１つの半導体素子の電極と１つの第２の導体パターンとを接続するボンディングワイヤの数を多くすることは、より大きな電流を流すことを可能にするが、半導体モジュールの信頼性を低下させること、半導体モジュールの小型化を難しくすることの要因にもなり得る。
【0005】
ボンディングワイヤの数を多くすることにより、例えば、ボンディングワイヤの間隔が狭くなり、半導体素子及びボンディングワイヤを封止する封止部材中に気泡が残存することがある。封止部材中に残存した気泡内は封止部材と比べて絶縁性が低いため、封止部材の絶縁性能を低下させ、半導体モジュールの信頼性を低下させることがある。このようなボンディングワイヤの間隔が狭くなることによる半導体モジュールの信頼性の低下を防ぐために、例えば、特許文献１のパワーモジュールでは、互いに隣り合う一対の導電ワイヤ群の中間部の間の最大間隔を、互いに隣り合う一対の導電ワイヤ群の第１のボンディング部の間の第１間隔よりも大きくしている。
【0006】
また、例えば、特許文献２には、半導体チップ上の電極上にＡｕボールを積み上げる工程と、積み上げたＡｕボール上にＡｕ線をステッチボンドして接続する工程と、を繰り返すことにより、半導体チップ上に設ける電極の個数を少なくするとともにチップサイズを小さくする半導体装置の製造方法が記載されている。
【0007】
また、ボンディングワイヤの数を多くするためにボンディングワイヤを上下方向に多層化する場合、上層のボンディングワイヤの接合不良等により半導体モジュールの信頼性を低下させることがある。このようなボンディングワイヤの多層化による半導体モジュールの信頼性の低下を防ぐために、例えば、特許文献３の超音波ウェッジボンディング構造では、下層ボンディングワイヤの下層超音波接合部の上側に上層ボンディングワイヤを重ねて上層超音波接合部を形成し、上層超音波接合部のワイヤ配線方向下流側に、上層ボンディングワイヤを切断してなる切断部を形成する際に、切断部の下方に、切断部を下側から支持する切断用支持部を設けるようにしている。
【0008】
更に、特許文献４には、半導体チップと複数の金属ワイヤとを含む単位ユニットを２個以上搭載する取付基板のそりの発生を防ぐために、単位ユニットにおける第１主電極側の端子接続部と第２の主電極側の端子接続部はいずれかのものが近接配置され、かつ、単位ユニットの制御電極側の端子接続部から離間配置される電力用半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特表２０２０－４１５３号公報
【特許文献2】特願２００５－２６８４９７号公報
【特許文献3】特願２０１５－１４６３９３号公報
【特許文献4】特開平８－７８６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
電力変換装置に用いられる上述の半導体モジュールには、ボンディングワイヤにより半導体素子の電極と接続される絶縁板上の導体パターンとは電気的に独立した導電性の配線部材が、半導体素子における一方の電極面から他方の電極面に向かう方向に、前記ボンディングワイヤの延伸方向における中間部分と向かい合う位置を通るように延伸するものがある。このような配線部材が設けられた半導体モジュールでは、ボンディングワイヤの数が多くなると、配線部材と、配線部材に最も近いボンディングワイヤとの離隔距離が短くなり、配線部材とボンディングワイヤとの間での放電（短絡）が生じやくなる。このような放電は、半導体モジュールを焼損させることがある。
【0011】
１つの側面において、本発明は、半導体モジュールにおける配線部材とボンディングワイヤとの間での放電を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
１つの態様に係る半導体モジュールは、絶縁板の第１の表面に複数の導電板が設けられた積層基板と、前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、前記絶縁板の前記第１の表面における前記半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板と前記半導体素子における前記積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面の電極とを電気的に接続する複数のワイヤと、前記第１の方向とは異なる第２の方向で前記複数のワイヤと向かい合い、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に延伸する、前記複数のワイヤと電気的に接続される前記導電板と電気的に独立した配線部材とを含み、前記複数のワイヤのうちの、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近いワイヤは、前記半導体素子との接続部と、前記導電板との接続部と、の間の中間部の前記第２の方向でみた位置が、前記２つの接続部を結ぶ線分よりも、前記配線部材から遠方にある。
【発明の効果】
【0013】
上述の態様によれば、半導体モジュールにおける配線部材とボンディングワイヤとの間での放電を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】一実施の形態に係る半導体装置を上からみた平面図である。
【図4】半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の従来例を説明する図である。
【図5】一実施の形態に係るボンディングワイヤの張り方の第１の例を説明する図である。
【図6】一実施の形態に係るボンディングワイヤの張り方の第２の例を説明する図である。
【図7A】効果係数αと最大電界強度比との関係を例示するグラフ図である。
【図8A】一実施の形態に係る半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の具体例を説明する部分平面図である。
【図9A】一実施の形態に係る半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の変形例を説明する部分平面図である。
【図10】本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照しながら、本発明を適用可能な半導体モジュール及び半導体装置について説明する。なお、参照する図面に示されたＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、それぞれ、半導体モジュールの短手方向、半導体モジュールの長手方向、及び半導体モジュールの高さ方向（基板の厚み方向）と対応する。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交し、右手系を成している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、半導体モジュールの取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。
【0016】
また、本明細書における以下の説明では、例えば、図示された構成要素におけるＺ方向負側の端面を下面と呼び、その反対側（すなわちＺ方向正側）の端面を上面と呼ぶ。また、本明細書において、平面視は、半導体モジュールの上面又は下面をＺ方向からみた場合を意味する。また、各図面における縦横比や各部材同士の大小関係は、あくまで模式的で表されており、実際の半導体モジュールにおける関係とは必ずしも一致しない。説明の便宜上、各部材同士の大小関係を誇張して表現している場合も想定される。
【0017】
図１は、一実施の形態に係る半導体装置を上からみた平面図である。図２は、図１に示す半導体装置におけるＡ－Ａ’線を境としてＸ方向正側の部分を、Ａ－Ａ’線よりもＸ方向負側となる位置からみた場合の構成例を示す図である。図３は、図１に示す半導体装置におけるＢ－Ｂ’線を境としてＹ方向正側の部分を、Ｂ－Ｂ’線よりもＹ方向負側となる位置からみた場合の構成例を示す図である。図１～図３の各図は、ケース１１内に配置された半導体素子３１～３４、ボンディングワイヤ４０、４１等を封止するために、ケース１１内に充填される封止絶縁体の図示を省略している。また、図３に示したボンディングワイヤ４１（４１ａ～４１ｄ）等のボンディングワイヤの下端は、図３に示された導電板２４ではなく、導電板２４よりもＹ方向正側に位置する導電板２３（図２を参照）と電気的に接続されている。
【0018】
図１～図３に例示した本実施の形態に係る半導体装置１００は、冷却器１０の上面に半導体モジュール１を配置して構成される。なお、半導体モジュール１に対して、冷却器１０は任意の構成である。本実施の形態に係る半導体装置１００は、例えば、産業用又は車載用モータのインバータ装置等の電力変換装置に適用される。以下の説明では、図２及び図３に例示した冷却器１０を除いた部分を半導体モジュール１と呼び、半導体モジュール１と冷却器１０とを含むものを半導体装置１００と呼んで区別する。
【0019】
冷却器１０は、半導体モジュール１の熱を外部に放出するものであり、全体として直方体形状を有している。特に図示はしないが、冷却器１０は、ベース板の下面側に複数のフィンを設け、これらのフィンをウォータジャケットに収容して構成される。なお、冷却器１０の構成は、これに限らず適宜変更が可能である。
【0020】
半導体モジュール１は、ケース１１内に積層基板２、半導体素子３１～３４、ボンディングワイヤ４０（４０ａ～４０ｄ、４０ｐ～４０ｒ）及び４１（４１ａ～４１ｄ、４１ｐ～４１ｒ）、並びに配線部材５１～５３等を配置して構成される。
【0021】
積層基板２は、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板、あるいは金属ベース基板で構成される。図１～図３に例示した積層基板２は、絶縁板２０、金属箔２１、第１の導電板２２、第２の導電板２３、及び第３の導電板２４を含む。具体的には、積層基板２は、絶縁板２０の下面（第２の面）に金属箔２１を配置し、絶縁板２０の上面（第２の面とは反対側の第１の面）に複数の導電板（第１の導電板２２、第２の導電板２３、及び第３の導電板２４）をそれぞれ配置して構成された積層体であり、全体として平面視矩形状に形成されている。積層基板２は、配線板と呼ばれてもよい。
【0022】
具体的に絶縁板２０は、上面と下面を有する板状体で形成され、Ｙ方向に長い平面視矩形状を有している。絶縁板２０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等のセラミックス材料によって形成される。なお、絶縁板２０の材料は、特定の絶縁材料に限定されない。絶縁板２０は、例えば、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、又は、熱硬化性樹脂にガラスやセラミックス材料をフィラーとして用いた複合材料によって形成されてもよい。絶縁板２０は、可撓性を有していてもよい。絶縁板２０は、絶縁基板、絶縁層又は絶縁フィルムと呼ばれてもよい。
【0023】
金属箔２１は、Ｚ方向に所定の厚みを有し、Ｙ方向に長い平面視矩形状を有している。金属箔２１は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。金属箔２１は、絶縁板２０の下面に配置されている。金属箔２１の下面は、半導体モジュール１の取付先である冷却器１０に対する被取付面であると共に、半導体モジュール１の熱を放出するための放熱面（放熱領域）としても機能する。金属箔２１は、はんだ等の接合材（図示せず）を介して冷却器１０の上面に接合される。金属箔２１は、サーマルグリスやサーマルコンパウンドなどの熱伝導材を介して冷却器１０の上面に配置されてもよい。放熱面として機能する金属箔２１は、放熱板と呼ばれてもよい。
【0024】
複数の導電板（第１の導電板２２、第２の導電板２３、及び第３の導電板２４）は、それぞれがＺ方向に所定の厚みを有し、平面視矩形状を有している。各導電板は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板によって形成される。複数の導電板は、絶縁板２０の上面に、互いに重ならないようＹ方向に並んで配置されている。図１に例示した半導体モジュール１では、第１の導電板２２のＹ方向負側に第２の導電板２３が配置され、第２の導電板２３の更にＹ方向負側に第３の導電板２４が配置されている。導電板は、導体層、導体板、又は導体パターン等と呼ばれてもよい。
【0025】
なお、絶縁板２０の上面に配置する導電板の数は、図１に示した３つに限らず、適宜変更が可能である。絶縁板２０の上面に設ける導電板は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、平面視における導電板の形状、配置箇所等も、図１に例示したものに限定することなく適宜変更が可能である。
【0026】
図１～図３に例示した半導体モジュール１では、第２の導電板２３の上面に２つの半導体素子３１、３２が配置されており、第３の導電板２４の上面に別の２つの半導体素子３３、３４が配置されている。本実施の形態に係る半導体モジュール１の半導体素子３１～３４には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオード素子等を用いることができる。半導体素子は、半導体チップと呼ばれてもよい。
【0027】
図１～図３に例示した半導体モジュール１における半導体素子３１～３４の各々は、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオード素子であるＦＷＤの機能を一体化したＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴ素子であり得る。この種の半導体素子３１～３４は、主面と呼ばれる第１の面、及び第１の面とは反対側の第２の面のそれぞれに、不図示の電極が形成されている。半導体素子は、第１の面及び第２の面の一方の面を下面として導電板の上面と向かい合わせにして、導電板の上面に配置される。本明細書では、各半導体素子３１～３４における導電板と向かい合う面（下面）を第１の面とし、反対側の面（上面）を第２の面とする。
【0028】
第２の導電板２３の上面に配置された半導体素子３１、３２の下面側の電極は、第２の導電板２３と半導体素子３１、３２との間に位置するはんだ等の接合材Ｓにより、第２の導電板２３と電気的に接続される。半導体素子３１、３２の上面側の電極は、複数のボンディングワイヤ４０により第１の導電板２２と電気的に接続される。以下の説明では、ボンディングワイヤ４０を単に「ワイヤ４０」と記載する。
【0029】
第３の導電板２４の上面に配置された半導体素子３３、３４の下面側の電極は、第３の導電板２４と半導体素子３３、３４との間に位置するはんだ等の接合材Ｓにより、第３の導電板２４と電気的に接続される。半導体素子３３、３４の上面側の電極は、複数のボンディングワイヤ４１により第２の導電板２３と電気的に接続される。このとき、絶縁板２０の第１の面における半導体素子３３が配置された領域から見て、半導体素子３３の上面側の電極と電気的に接続される第２の導電板２３の領域は、Ｙ方向正側に位置する。以下の説明では、Ｙ方向を第１の方向とも記載する。また、以下の説明では、ボンディングワイヤ４１を単に「ワイヤ４１」とも記載する。
【0030】
１つの半導体素子における上面側の電極は、第１の導電板２２、第２の導電板２３、及び第３の導電板２４とは電気的に独立した他の導電板又は端子と接続される電極を含んでもよい。例えば、第２の導電板２３の上面に配置された半導体素子（例えば、半導体素子３１）の上面側の電極は、第１の導電板２２と電気的に接続させる主電極と、第１の導電板２２とは別の導電板又は端子に接続させるゲート電極とを含んでもよい。同様に、第３の導電板２４の上面に配置された半導体素子（例えば、半導体素子３３）の上面側の電極は、第２の導電板２３と電気的に接続させる主電極と、第１の導電板２２及び第２の導電板２３とは別の導電板又は端子に接続させるゲート電極とを含んでもよい。主電極は、半導体モジュール１（半導体素子）の動作時に主電流が流れる電極であり、ゲート電極は、例えば、主電流をオン・オフするためのゲートを制御する制御信号を印加する電極である。
【0031】
なお、本実施の形態の半導体モジュール１における半導体素子は、上面側に主電流が流れる電極が設けられるように積層基板２の上面に配置されるものであればよく、１つの導電板の上面に配置する半導体素子の種類、形状、配置数、配置箇所等は、適宜変更が可能である。また、半導体素子は、上記したスイッチング素子、ダイオード素子等を組み合わせて構成されてもよい。例えば、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオード素子であるＦＷＤとが別体で構成されてもよい。更に、半導体素子として逆バイアスに対して十分な耐圧を有するＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ等を用いてもよい。
【0032】
本実施の形態の半導体モジュール１では、第１の導電板２２の上面、第２の導電板２３の上面、及び第３の導電板２４の上面のそれぞれに、導電板と電気的に接続され、Ｚ方向正側に延伸する配線部材５１、５２、５３が設けられている。各配線部材５１、５２、５３は、Ｚ方向負側の端部がはんだ等の接合材により導電板と電気的に接続されており、Ｚ方向正側の端部がケース１１の上面において不図示の封止絶縁体から露出し、又は突出し、入力端子又は出力端子として機能する。例えば、第１の導電板２２の上面に設けられた第１の配線部材５１は負極端子Ｎ、第２の導電板２３の上面に設けられた第２の配線部材５２は出力端子Ｕ、第３の導電板２４の上面に設けられた第３の配線部材は正極端子Ｐであり得る。なお、第１の配線部材５１、第２の配線部材５２、及び第３の配線部材５３の機能の組み合わせは、上記の組み合わせに限定されない。
【0033】
各導電板の上面に配置する配線部材の形状及び配置箇所は、特定の形状及び配置箇所に限定されない。そのため、図１～図３に例示したように、第３の導電板２４と接続される第３の配線部材５３が、第３の導電板２４の上面に配置された半導体素子の電極と第２の導電板２３とを接続するワイヤ４１（４１ａ～４１ｄ）における延伸方向での中間部と、第１の方向とは異なるＸ方向（以下、Ｘ方向を「第２の方向」とも記載する）で向かい合う位置で、Ｚ方向正側に延伸するように配置されることがある。なお、図３に例示したワイヤ４１（４１ａ～４１ｄ）の下端部は、上述したように、図３に示されている第３の導電板２４ではなく、第３の導電板２４の奥方（Ｙ方向正側）に位置する第２の導電板２３と電気的に接続されている。
【0034】
図１～図３に例示した、本実施の形態の半導体モジュール１では、半導体素子３３の電極と第２の導電板２３とを接続する４本のワイヤ４１ａ～４１ｄのそれぞれにおける、半導体素子３３の電極との接続端及び第２の導電板２３との接続端は、それぞれ、半導体素子３３におけるワイヤと交差する側面に沿った第２の方向（Ｘ方向）に並んでいる。そして、本実施形態の半導体モジュール１では、Ｘ方向に並んだ４本のワイヤ４１ａ～４１ｄのうちの接続端がＸ方向の端に位置する２本のワイヤ４１ａ及び４１ｄは、各ワイヤの中間部が、隣接するワイヤ４１ｂ及び４１ｃの中間部の上方（Ｚ方向正側）を通るように張られている。言い換えると、半導体素子３３の電極と第２の導電板２３とを接続する４本のワイヤ４１ａ～４１ｄのうちの、Ｘ方向（第２の方向）でみた半導体素子３３との接続部から第３の配線部材５３までの距離が最も近いワイヤ４１ａにおける第３の配線部材５３と向かい合う中間部は、半導体素子３３の電極との接続端及び第２の導電板２３との接続端を結ぶ線分（図１及び図３に太い点線で示した線分）よりも、第３の配線部材５３から遠方に位置する。そして、半導体素子３３の電極と第２の導電板２３とを接続するワイヤ４１と、第３の導電板２４の上面に配置された第３の配線部材５３との離隔距離Ｇを、Ｘ方向でみた半導体素子３３の電極との接続端から第３の配線部材５３までの距離が２番目に近いワイヤ４１ｂの中間部から第３の配線部材５３までの距離と等しくする。
【0035】
本実施の形態の半導体モジュール１のこのような構成によりもたらされる効果を説明するために、ここで、図４を参照してワイヤ４１の張り方の従来例を説明する。
【0036】
図４は、半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の従来例を説明する図である。図４には、従来のボンディングワイヤの張り方を適用して製造された、図１～図３に例示した半導体モジュール１と類似した構成の半導体モジュールにおける、図３のＺＸ面と対応する平面でみたボンディングワイヤ４１（４１ａ～４１ｈ）と第３の配線部材５３との位置関係の一例を示している。なお、図４のワイヤ４１、第３の導電板２４、及び第３の配線部材５３は、断面であることを示すハッチングが省略されている。また、図４には、便宜上８本のワイヤ４１を張った例を示しているが、ワイヤ４１の数は８本に限定されない。
【0037】
インバータ装置等の電力変換装置に利用される半導体モジュールでは、大電流を流すために、第２の導電板２３と、第３の導電板２４の上面に配置された半導体素子３３の上面側の主電極とを接続するワイヤ４１の数を多くすることがある。その場合、従来のワイヤ４１の張り方では、図４に例示するように、全てのワイヤ４１の中間部が第３の導電板２４の上面から同じ距離（高さ）にあり、第３の導電板２４の上面に沿ってＸ方向に間隔ＳＷで等間隔に配置される。しかしながら、このような張り方では、ワイヤ４１の数が多くなるにつれて、複数のワイヤ４１のうちの第３の配線部材５３に最も近いワイヤ４１ａから第３の配線部材５３までの距離（離隔距離）Ｇが短くなる。ワイヤ４１ａと第３の配線部材５３との離隔距離Ｇが短くなると、半導体モジュールの動作時にワイヤ４１ａと第３の配線部材５３とを絶縁する封止絶縁体に絶縁破壊（すなわち、ワイヤ４１ａと第３の配線部材５３との間での放電）が生じやすくなる。ワイヤ４１ａと第３の配線部材５３との間で生じる放電は、半導体モジュールの動作に悪影響を及ぼすだけでなく、半導体モジュールを焼損させるおそれがある。
【0038】
本実施の形態の半導体モジュール１は、動作時に異なる電位になるワイヤ４１と第３の配線部材５３との離隔距離Ｇを長くし、図４を参照して上述したワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の放電を抑制する。
【0039】
図５は、一実施の形態に係るボンディングワイヤの張り方の第１の例を説明する図である。図６は、一実施の形態に係るボンディングワイヤの張り方の第２の例を説明する図である。図５及び図６は、それぞれ、図４を参照して上述した８本のワイヤ４１（４１ａ～４１ｈ）を張る場合の、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との離隔距離Ｇを長くする方法の例を示している。
【0040】
本実施の形態に係る半導体モジュール１では、上述したように、第３の導電板２４の上面に配置された１つの半導体素子３３の上面と第２の導電板２３とを複数のワイヤ４１で接続する場合に、各ワイヤ４１における半導体素子３３の上面との接続部が、第３の導電板２４からみて第２の導電板２３が位置するＹ方向と直交するＸ方向（第２の方向）に並ぶようにする。この場合、図４を参照して上述したように、ワイヤ４１の数が増加するにつれてワイヤ４１（４１ａ）と第３の配線部材５３との離隔距離Ｇが短くなる。
【0041】
これに対し、本実施の形態の半導体モジュール１では、例えば、図５に示したように、複数のワイヤ４１のうちの、第３の配線部材５３に近接するボンディングワイヤ（図５では２本）の中間部が、それらのワイヤ４１ａ及び４１ｂと隣接する別のワイヤ４１ｃ及び４１ｄの中間部の上方を通るようにする。図５に例示した半導体モジュール１では、半導体素子３３の上面との接続部がＸ方向で見て第３の配線部材５３に最も近いワイヤ４１ａの中間部が３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部の上方を通り、二番目に近いワイヤ４１ｂの中間部が４番目に近いワイヤ４１ｄの中間部の上方を通る。このようにすることで、ワイヤ４１の中間部と第３の配線部材５３との離隔距離Ｇは、半導体素子３３の上面との接続部がＸ方向で見て第３の配線部材５３に３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部と第３の配線部材５３との距離に変更される。すなわち、図４に例示した従来のワイヤ４１の張り方と比べて、ワイヤの間隔ＳＷの２倍だけ、離隔距離Ｇを長くすることができる。このため、半導体モジュール１の動作時におけるワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電の発生を抑制することができる。また、半導体素子３３の上面との接続部がＸ方向で見て第３の配線部材５３に近いワイヤ４１ａ、４１ｂの中間部が他のワイヤ４１ｃ、４１ｄの上方を通るようにすることは、例えば、離隔距離Ｇを長くすることにより、Ｘ方向で見た半導体素子３３と第３の配線部材５３との距離が長くなってしまうことを防げる。言い換えると、本実施の形態の半導体モジュール１は、放電を抑制するために必要な離隔距離Ｇを確保した状態で、Ｘ方向で見た半導体素子３３と第３の配線部材５３との距離を短くすることを可能にする。このため、本実施の形態の半導体モジュール１は、動作時に異なる電位になるワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の絶縁性の担保と、半導体モジュール１の小型化との両立を可能にし得る。
【0042】
また、本実施の形態の半導体モジュール１では、例えば、図６に示したように、複数のワイヤ４１のうちの、第３の配線部材５３から遠方に位置するワイヤ４１ｇ及び４１ｈの中間部も、それらのワイヤと隣接する別のワイヤ４１ｅ及び４１ｆの中間部の上方を通るようにしてもよい。このとき、中間部の位置を変更する、第３の配線部材５３に近接するワイヤ４１の数と遠方に位置するボンディングワイヤ４１の数とを同じ数にし、ＺＸ面で見たワイヤ４１の中央部の配列が半導体素子３３の中心位置（中心線ＣＣ）で線対称（左右対称）になるようにする。このようにすることで、例えば、ワイヤ４１を張るときの中間部の位置を成形しやすくなる。具体的には、複数のワイヤ４１をＸ方向に並べて張る際にＸ方向の端に位置するワイヤの高さを他のワイヤの高さよりも高くし、その後、ピンセット等のツールを使用して、Ｘ方向の端に位置するワイヤの中間部同士の間隔が狭くなるように成形することで、離隔距離Ｇを容易に長くすることができる。なお、図６に示した、Ｘ方向で隣接する２本のワイヤ４１の中間部の間隔ＳＷ１と、Ｚ方向で隣接する２本のワイヤ４１の中間部の間隔ＳＷ２とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【0043】
また、複数のボンディングワイヤの中間部の配列を図６に例示したようにＺＸ面で見た半導体素子３３の中心線ＣＣで線対称にすることは、中間部の配列をワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電の生じにくさと関連付けることを容易にする。このことは、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電を抑制する効果が最も高くなる、ワイヤ４１の中間部の配列を容易に決定することを可能にする。例えば、図６に示した８本のワイヤ４１の中間部の配列は、Ｘ方向の数ｎｃが４であり、Ｚ方向の数ｎｖが２であるが、ｎｃとｎｖとの組み合わせはこれに限定されない。本実施の形態に係る半導体モジュール１におけるワイヤ４１の中間部の配列と放電を抑制する効果との関係を説明するために、ここで、効果係数αについて説明する。効果係数αは、下記式１で表される。
式１において、ｎはワイヤ４１の総数であり、ｎｃはワイヤ４１の列数（図６における中間部のＸ方向の数）である。ｎｖはワイヤの段数であり、ｎｖ＝ｎ／ｎｃで表される。
【数1】
【0044】
効果係数αを理解しやすくするため、まず、図４を参照して上述したワイヤ４１の従来の張り方に対して、どれくらい離隔距離Ｇが長くなるかを数字で表すことを考える。例えば、８本のワイヤ４１の中間部を図６に例示したように４列２段（ｎｃ＝４、ｎｖ＝２）とすると、上述したようにワイヤの間隔ＳＷ１の２倍（ワイヤ２本分）だけ離隔距離Ｇを長くすることができる。ここで、離隔距離Ｇの増加分をβとすると、増加分βは、ワイヤの総数ｎとワイヤの列数ｎｃとを用いて下記式２のように表すことができる。
【数2】
【0045】
図６の例では、β＝２となり、離隔距離Ｇがワイヤ２本分長くなることを示している。この増加分βにワイヤの直径とワイヤ間距離（間隙）との和を乗じることで、半導体モジュール１において離隔距離Ｇが実際にどれだけ長くなるかを求めることができる。例えば、ワイヤの直径が０．４ｍｍ、ワイヤ間距離が１ｍｍの場合、β＝２であれば離隔距離Ｇは２．８ｍｍ（＝２×（０．４＋１））長くなる。
【0046】
増加分βは、ワイヤの総数ｎやワイヤの列数ｎｃによって様々な値をとるため、以下のように一般化する。離隔距離Ｇが最大となる（すなわち増加分βが最大となる）のは、複数のワイヤ４１の中間部を１本ずつＺ方向に配列したｎｃ＝１の場合であり、このときのβで規格化すれば、ワイヤの総数ｎやワイヤの列数ｎｃがどのような値でも、０～１の値で効果を表すことができる。ｎｃ＝１のときの離隔距離Ｇの増加分をγとすると、γは、下記式３のように表される。
【数3】
【0047】
これにより、効果係数αは、増加分β及びγを用いて、下記式４のように表すことができ、式１と同じ結果が得られる。
【数4】
【0048】
ここで、図７Ａ～図７Ｇを参照して、８本のワイヤ４１を張るときの効果係数αと最大電界強度比との関係を簡単に説明する。最大電界強度比は、図４を参照して説明した従来例における離隔距離Ｇでのワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の電界強度に対する、離隔距離Ｇを長くした場合の電界強度の比である。最大電界強度比は、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電の発生のしやすさと関連付けることができる。
【0049】
図７Ａは、効果係数αと最大電界強度比との関係を例示するグラフ図である。図７Ｂは、図７Ａのグラフ上の各点とｎｃ、ｎｖ、及び離隔距離Ｇとの関係を示す表図である。図７Ｃは、図７Ａのグラフの点Ｐ０と対応するワイヤの配列を示す図である。図７Ｄは、図７Ａのグラフの点Ｐ１及びＰ２のそれぞれと対応するワイヤの配列を示す図である。図７Ｅは、図７Ａのグラフの点Ｐ３及びＰ４のそれぞれと対応するワイヤの配列を示す図である。図７Ｆは、図７Ａのグラフの点Ｐ５及びＰ６のそれぞれと対応するワイヤの配列を示す図である。図７Ｇは、図７Ａのグラフの点Ｐ７及びＰ８のそれぞれと対応するワイヤの配列を示す図である。
【0050】
図７Ａのグラフ図７０における点Ｐ０～Ｐ８は、８本のワイヤ４１を張るときの各ワイヤ４１の中間部の配列と離隔距離Ｇとの組み合わせが異なる９つの配列パターンについての、効果係数αと最大電界強度比との関係を示している。各点Ｐ０～Ｐ８が示す各ワイヤ４１の中間部の配列（列数ｎｃ及び段数ｎｖ）と離隔距離Ｇとは、図７Ｂのテーブル７１に示している。図７Ａのグラフ図７０における最大電界強度比は、点Ｐ０（すなわち、図４に例示した従来例）と対応する配列における電界強度に対する各点の配列での電界強度の比であり、小さい値の配列ほど電界強度が小さくなり、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電が発生しにくいことを示す。なお、図７Ｃ～図７Ｇのワイヤ４１及び第３の配線部材５３は、断面であることを示すハッチングが省略されている。
【0051】
点Ｐ０は、８本のワイヤ４１の中間部の配列が、上記のように図４に例示した従来例と対応する。具体的には、図７Ｃに例示するように、各中間部が、半導体素子３３の上面に沿ってＸ方向に、半導体素子３３の上面からの距離が同一になるように配列されている。ここで、以下の説明における点Ｐ０と、他の各点Ｐ１～Ｐ８と差異を明確にするために、点Ｐ０の配列を基準とする位置及び距離を定義する。まず、Ｘ方向における半導体素子３３の中心を通る中心線ＣＣから第３の配線部材５３までの距離ＬＣＣを中心距離ＬＣＣと定義する。また、Ｘ方向に並んだ８本のワイヤ４１の中間部のうちの、第３の配線部材５３に最も近いワイヤ４１ａの中間部から第３の配線部材５３までの距離ＬＬ１を第１の距離ＬＬ１と定義する。同様に、Ｘ方向に並んだ８本のワイヤ４１の中間部のうちの、第３の配線部材５３に３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部から第３の配線部材５３までの距離ＬＬ３を第３の距離ＬＬ３と定義し、第３の配線部材５３に４番目に近いワイヤ４１ｄの中間部から第３の配線部材５３までの距離ＬＬ４を第４の距離ＬＬ４と定義する。更に、第３の配線部材５３に５番目に近いワイヤ４１ｅの中間部から第３の配線部材５３までの距離ＬＬ５を第５の距離ＬＬ５と定義する。
【0052】
【0053】
次に、点Ｐ１及び点Ｐ２の配列について図７Ｂ及び図７Ｄを参照して説明する。点Ｐ１及びＰ２は、それぞれ、離隔距離Ｇが第３の距離ＬＬ３になるように８本のワイヤ４１の中間部が配列される。点Ｐ１は、点Ｐ０の配置（ｎｃ＝８、ｎｖ＝１）のまま離隔距離Ｇが第３の距離ＬＬ３になるように、８本のワイヤ４１の中間部の配列をＸ方向負側に平行移動させた配列と対応する。一方、点Ｐ２は、図６を参照して上述したようにワイヤ４１の中間部の配列を４列２段（ｎｃ＝４、ｎｖ＝２）にすることで、離隔距離Ｇが第３の距離ＬＬ３になるようにしている。点Ｐ２と対応する配列の効果係数αは、上記式１から約０．５７となる。このことから、点Ｐ１の配列は、効果係数α＝０．５７に相当する従来例の配列と見做すことができる。図７Ａに例示したように、点Ｐ１及び点Ｐ２の最大電界強度比は、いずれも０．８よりも小さい値であるが、ワイヤ４１の中間部の配列を４列２段（ｎｃ＝４、ｎｖ＝２）にした点Ｐ２のほうがより小さい値を示している。
【0054】
次に、点Ｐ３及び点Ｐ４の配列について図７Ｂ及び図７Ｅを参照して説明する。点Ｐ４は、ワイヤ４１の中間部の配列を３列３段（ｎｃ＝３、ｎｖ＝３）に変更している。なお、ワイヤ４１は８本であるため、点Ｐ４では、下から２段目（すなわち段方向における中央の段）のワイヤ４１の中間部を２本にし、かつ、半導体素子３３の中心線ＣＣに対して線対称になるように、中央にワイヤ４１の中間部が配列されない「ロ」の字形の配列になっている。また、点Ｐ４では、ワイヤ４１の中間部が半導体素子３３の中心線ＣＣに対して線対称になり、かつ、下から１段目及び３段目におけるワイヤ４１の間隔が、点Ｐ０における間隔ＳＷ（ＳＷ１）と同一になるようにワイヤ４１の中間部を配置している。このため、点Ｐ４における離隔距離Ｇは、図７Ｅに例示したように、第３の距離ＬＬ３と第４の距離ＬＬ４との間の距離となり、より具体的には、Ｇ＝（ＬＬ４＋ＬＬ３）／２となる。点Ｐ４と対応する配列の効果係数αは、上記式１から約０．７１となる。
【0055】
一方、点Ｐ３は、図７Ｅに例示したように、点Ｐ０の配置（ｎｃ＝８、ｎｖ＝１）のまま離隔距離Ｇが点Ｐ４と同じＧ＝（ＬＬ４＋ＬＬ３）／２になるように、８本のワイヤ４１の中間部の配列をＸ方向負側に平行移動させた配列と対応する。したがって、点Ｐ３の配列は、効果係数α＝０．７１に相当する従来例の配列と見做すことができる。
【0056】
図７Ａに例示したように、点Ｐ３及び点Ｐ４の最大電界強度比は、いずれも０．８よりも小さい値であるが、ワイヤ４１の中間部の配列を３列３段（ｎｃ＝３、ｎｖ＝３）にした点Ｐ４のほうがより小さい値を示している。また、点Ｐ４の最大電界強度比は、点Ｐ２と比べて、さらに小さい値になっている。このことは、点Ｐ４の配列（３列３段）のほうが、点Ｐ２の配列（４列２段）よりもワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の放電が生じにくいことを示唆していると考えられる。
【0057】
次に、点Ｐ５及び点Ｐ６の配列について図７Ｂ及び図７Ｆを参照して説明する。点Ｐ６は、ワイヤ４１の中間部の配列を２列４段（ｎｃ＝２、ｎｖ＝４）に変更している。また、点Ｐ６では、ワイヤ４１の中間部が半導体素子３３の中心線ＣＣに対して線対称になり、かつ、各段におけるワイヤ４１の間隔が、点Ｐ０における間隔と同一になるようにワイヤ４１の中間部を配置している。このため、点Ｐ６における離隔距離Ｇは、図７Ｆに例示したように、第４の距離ＬＬ４となる。点Ｐ６と対応する配列の効果係数αは、上記式１から約０．８５となる。
【0058】
一方、点Ｐ５は、図７Ｆに例示したように、点Ｐ０の配置（ｎｃ＝８、ｎｖ＝１）のまま離隔距離Ｇが点Ｐ６と同じ第４の距離ＬＬ４になるように、８本のワイヤ４１の中間部の配列をＸ方向負側に平行移動させた配列と対応する。したがって、点Ｐ５の配列は、効果係数α＝０．８５に相当する従来例の配列と見做すことができる。
【0059】
図７Ａに例示したように、点Ｐ５及び点Ｐ６の最大電界強度比は、いずれも０．８よりも小さい値であるが、ワイヤ４１の中間部の配列を２列４段（ｎｃ＝２、ｎｖ＝４）にした点Ｐ６のほうがより小さい値を示している。また、点Ｐ６の最大電界強度比は、点Ｐ４の最大電界強度比と略同一である。このことは、点Ｐ４の配列と同様、点Ｐ６の配列（２列４段）のほうが、点Ｐ２の配列（４列２段）よりもワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の放電が生じにくいことを示唆していると考えられる。
【0060】
最後に、点Ｐ７及び点Ｐ８の配列について図７Ｂ及び図７Ｇを参照して説明する。点Ｐ８は、ワイヤ４１の中間部の配列を１列８段（ｎｃ＝１、ｎｖ＝８）に変更している。また、点Ｐ８では、ワイヤ４１の中間部が半導体素子３３の中心線ＣＣに対して線対称になるように、言い換えると、各ワイヤ４１の中心が半導体素子３３の中心線ＣＣ上になるように、ワイヤ４１の中間部を配置している。このため、点Ｐ８における離隔距離Ｇは、図７Ｇに例示したように、第４の距離ＬＬ４と第５の距離ＬＬ５との間の距離となり、より具体的には、Ｇ＝（ＬＬ５＋ＬＬ４）／２となる。点Ｐ８と対応する配列の効果係数αは、上記式１から１．００となる。
【0061】
一方、点Ｐ７は、図７Ｇに例示したように、点Ｐ０の配置（ｎｃ＝８、ｎｖ＝１）のまま離隔距離Ｇが点Ｐ８と同じＧ＝（ＬＬ５＋ＬＬ４）／２になるように、８本のワイヤ４１の中間部の配列をＸ方向負側に平行移動させた配列と対応する。したがって、点Ｐ５の配列は、効果係数α＝１．００に相当する従来例の配列と見做すことができる。
【0062】
図７Ａに例示したように、点Ｐ７及び点Ｐ８の最大電界強度比は、いずれも０．８よりも小さい値であるが、ワイヤの中央部の配列を１列８段（ｎｃ＝１、ｎｖ＝８）にした点Ｐ８のほうがより小さい値を示している。また、点Ｐ８の最大電界強度比は、点Ｐ４及び点Ｐ６と比べて大きな値になっている。このことは、点Ｐ４の配列（３列３段）又は点Ｐ６の配列（２列４段）のほうが、点Ｐ８の配列よりもワイヤと第３の配線部材との間の放電が生じにくいことを示唆していると考えられる。
【0063】
図７Ａ～図７Ｇを参照して上述したように、１つの半導体素子３３の上面の電極と１つの導電板２３との接続に用いるワイヤ４１の数に基づいて、ワイヤ４１の中間部の配列と最大電界強度比との関係をシミュレーションすることで、ワイヤ４１と配線部材５３との間での放電を抑制するのに適したワイヤ４１の中間部の配列を導出することができる。例えば、図７Ａ～図７Ｇを参照して上述した例では、ワイヤ４１の中間部を３列３段（ｎｃ＝３、ｎｖ＝３）又は２列４段（ｎｃ＝２、ｎｖ＝４）にすることで、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との間での放電を抑制する効果が最も高くなると考えられる。しかしながら、ワイヤ４１の中間部を２列４段（ｎｃ＝２、ｎｖ＝４）にする場合、半導体素子３３の上面から最上段のワイヤ４１までの高さが高くなる分、例えば、最上段のワイヤ４１からケース１１の上面までの距離が短くなり、封止絶縁体による絶縁性能が低下する恐れがある。そのため、図７Ａ～図７Ｇを参照して上述した例では、ワイヤ４１の中間部を３列３段（ｎｃ＝３、ｎｖ＝３）、又は４列２段（ｎｃ＝４、ｎｖ＝２）にすることが好ましいと考えられる。
【0064】
なお、図７Ａ～図７Ｇを参照した上記の説明は、ワイヤ４１が８本である場合の好適なワイヤ４１の張り方の導出方法の一例に過ぎない。例えば、任意の数のワイヤ４１を２段以上（ｎｖ≧２）にした場合、式１により導出される効果係数αはα≧０．５となる。そして、ワイヤ４１を２段以上にすることで、第３の配線部材５３からの離隔距離Ｇは１段（従来例）のときよりも確実に長くすることができる。従って、複数のワイヤ４１の中間部の配列がα≧０．５を満たすようにワイヤの列数ｎｃと段数ｎｖを選択することにより、ワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の放電を抑制することができる。また、図７Ａに例示したような効果係数αと最大電界強度比との関係を利用することにより、例えば、放電を抑制するために必要な離隔距離Ｇを確保した状態で、Ｘ方向で見た半導体素子３３と第３の配線部材５３との距離を短くすることができる。このため、動作時に異なる電位になるワイヤ４１と第３の配線部材５３との間の絶縁性の担保と、半導体モジュール１の小型化との両立を可能にし得る。
【0065】
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、ワイヤ４１の中間部を４列２段（ｎｃ＝４、ｎｖ＝２）に配列する方法の一例を説明する。図８Ａは、一実施の形態に係る半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の具体例を説明する部分平面図である。図８Ｂは、図８ＡのＣ－Ｃ’線の位置からＹ方向正側の部分を見た場合の半導体モジュールの主要部の構成例を示す模式図である。なお、図８Ｂに示したワイヤ４１ａ～４１ｈの下端は、図８Ｂに示した第３の導電板２４ではなく、第３の導電板２４の奥方（Ｙ方向正側）に位置する第２の導電板２３と接続されている。
【0066】
図８Ａ及び図８Ｂに例示した半導体モジュール１では、第３の導電板２４上に配置された半導体素子３３の上面の電極（不図示）と、第３の導電板２４から見て第１の方向（Ｙ方向正側）に位置する第２の導電板２３とが、８本のワイヤ４１により電気的に接続される。第３の導電板２４上には、半導体素子３３の下面から上面に向かうＺ方向に延伸し、ワイヤ４１の中間部と第２の方向（Ｘ方向）で向かい合う位置を通る第３の配線部材５３が設けられている。
【0067】
図８Ａ及び図８Ｂに例示した半導体モジュール１における、半導体素子３３の上面と接続された各ワイヤ４１の接続端は、第１の方向と直交する第２の方向（Ｘ方向）に沿った位置が異なる。更に、第２の方向（Ｘ方向）で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も近い（１番目に近い）ワイヤ４１ａの中間部が３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部の上方に位置し、２番目に近いワイヤ４１ｂの中間部が４番目に近いワイヤ４１ｄの中間部の上方に位置する。更に、第２の方向で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も遠い（１番目に遠い）ワイヤ４１ｈの中間部が３番目に遠いワイヤ４１ｆの中間部の上方に位置し、２番目に遠いワイヤ４１ｇの中間部が４番目に遠いワイヤ４１ｅの中間部の上方に位置する。
【0068】
ワイヤ４１の中間部をこのような配列にする場合、例えば、半導体素子３３の上面との各ワイヤ４１の接続端に関して、第２の方向（Ｘ方向）で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も近い（１番目に近い）ワイヤ４１ａから順に、Ｘ方向負側に８本のワイヤ４１ａ～４１ｈをボンディングする。このとき、各ワイヤ４１ａ～４１ｈは、平面視で互いに平行となるようにＹ方向に延伸している（例えば、１番目に近いワイヤ４１ａは、図８Ａに太い点線で示した位置でＹ方向に延伸している）。また、中間部が上段に配置される、第３の配線部材５３からの距離が１番目に近いワイヤ４１ａ、２番目に近いワイヤ４１ｂ、２番目に遠い（７番目に近い）ワイヤ４１ｇ、及び１番目に遠い（８番目に近い）ワイヤ４１ｈは、他のワイヤ４１ｃ～４１ｆと比べてループ高さを高くしておく。その後、例えば、第３の配線部材５３からの距離が２番目に近いワイヤ４１ｂ及び２番目に遠い（７番目に近い）ワイヤ４１ｇの中間部をピンセット等のツールで挟み、各ワイヤ４１ｂ及び４１ｇの中間部が４番目に近いワイヤ４１ｄの中間部及び５番目に近いワイヤ４１ｅの中間部の上方に位置するように成形する。更に、例えば、第３の配線部材５３からの距離が１番目に近いワイヤ４１ａ及び１番目に遠い（８番目に近い）ワイヤ４１ｈの中間部をピンセット等のツールで挟み、各ワイヤ４１ａ及び４１ｈの中間部が３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部及び６番目に近いワイヤ４１ｆの中間部の上方に位置するように成形する。
【0069】
なお、中間部が上段に配置されるワイヤの形成方法は、上述した方法に限定されない。例えば、中間部が下段に配置される４本のワイヤ４１ｃ～４１ｆを接続した後に、残りの４本のワイヤ４１ａ、４１ｂ、４１ｇ、及び４１ｈを接続し、それら４本のワイヤ４１ａ、４１ｂ、４１ｇ、及び４１ｈの中間部が下段の４本のワイヤのうちの対応するワイヤの中間部の上を通るように成形してもよい。
【0070】
また、図８Ａ及び図８Ｂ等に示した複数のワイヤは、各ワイヤの中間部同士が平行になるように屈曲しているが、各ワイヤの中間部は、任意の方向に任意の曲率で伸長する曲線状に形成されていてもよい。更に、Ｚ方向で隣接するワイヤ同士のＸ方向（第２の方向）の位置は、図８Ａ及び図８Ｂ等を参照して上述したワイヤ４１の中間部の配列の例に限らず、Ｚ方向で隣接する中間部同士が平面視で重ならない配列であってもよい。
【0071】
更に、図８Ａ及び図８Ｂ等を参照して上述した本実施の形態の半導体モジュール１では、第２の方向（Ｘ方向）で見た第３の配線部材５３からの接続部の距離が近いワイヤ４１ａ、４１ｂ及び遠いワイヤ４１ｇ、４１ｈの中間部を、他のワイヤ４１ｃ～４１ｆの中間部の上方に位置付けることにより、離隔距離Ｇを長くしている。しかしながら、ワイヤ４１の中間部の配列は、これに限らず、第３の配線部材５３からの接続部の距離が近いワイヤ４１ａ、４１ｂ及び遠いワイヤ４１ｇ、４１ｈの中間部が、他のワイヤ４１ｃ～４１ｆの中間部の下方に位置づけられるようにしてもよい。
【0072】
図９Ａは、一実施の形態に係る半導体モジュールにおけるボンディングワイヤの張り方の変形例を説明する部分平面図である。図９Ｂは、図９ＡのＤ－Ｄ’線の位置からＹ方向正側の部分を見た場合の半導体モジュールの主要部の構成例を示す模式図である。なお、図９Ｂに示したワイヤ４１ａ～４１ｈの下端は、図９Ｂに示した第３の導電板２４ではなく、第３の導電板２４の奥方（Ｙ方向正側）に位置する第２の導電板２３と接続されている。
【0073】
図９Ａ及び図９Ｂに例示した半導体モジュール１では、第３の導電板２４上に配置された半導体素子３３の上面の電極と、第３の導電板２４から見て第１の方向（Ｙ方向正側）に位置する第２の導電板２３とが、８本のワイヤ４１（４１ａ～４１ｈ）により電気的に接続される。第３の導電板２４上には、半導体素子３３の下面から上面に向かう方向に延伸し、ワイヤ４１の中間部と第２の方向で向かい合う位置を通る第３の配線部材５３が設けられている。
【0074】
図９Ａ及び図９Ｂに例示した半導体モジュール１における、半導体素子３３の上面と接続された各ワイヤ４１ａ～４１ｈの接続端は、第１の方向と直交する第２の方向（Ｘ方向）に沿った位置が異なる。更に、第２の方向（Ｘ方向）で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も近い（１番目に近い）ワイヤ４１ａの中間部が３番目に近いワイヤ４１ｃの中間部の下方に位置し、２番目に近いワイヤ４１ｂの中間部が４番目に近いワイヤ４１ｄの中間部の下方に位置する。更に、第２の方向で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も遠い（１番目に遠い）ワイヤ４１ｈの中間部が３番目に遠いワイヤ４１ｆの中間部の下方に位置し、２番目に遠いワイヤ４１ｇの中間部が４番目に遠いワイヤ４１ｅの中間部の下方に位置する。なお、図９Ａ及び図９Ｂを参照した説明における「下方」は、Ｚ方向で隣り合う２つのワイヤ４１の中間部の相対的な位置関係をしている。図９Ａ及び図９Ｂに例示した半導体モジュール１において「下方」に位置するワイヤ４１の中間部の、半導体モジュール１の上面からの距離は、例えば、図８Ａ及び図８Ｂに例示した半導体モジュール１において「下方」に位置するワイヤ４１の中間部の、半導体モジュール１の上面からの距離と略同一である。すなわち、図９Ｂにおける下段のワイヤ４１ａ、４１ｂ、４１ｇ、及び４１ｈのループ高さは、図８Ｂにおける下段のワイヤ４１ｃ～４１ｆのループ高さと略同一である。
【0075】
ワイヤ４１の中間部をこのような配置にする場合、例えば、半導体素子３３の上面との各ワイヤ４１の接続端に関して、第２の方向（Ｘ方向）で見た第３の配線部材５３からの接続端の距離が最も近い（１番目に近い）ワイヤ４１ａ、２番目に近いワイヤ４１ｂ、２番目に遠い（７番目に近い）ワイヤ４１ｇ、及び１番目に遠い（８番目に近い）ワイヤ４１ｈを最初にボンディングし、例えば、ピンセット等のツールを使用して各ワイヤの中間部が他のワイヤの中間部の下方になるように成形する。その後、残りの４本のワイヤ４１ｃ～４１ｆをボンディングする。このとき、中間部が上段に配置される、第３の配線部材５３からの距離が３番目に近いワイヤ４１ｃ、４番目に近いワイヤ４１ｄ、５番目に近いワイヤ４１ｅ、及び６番目に近いワイヤ４１ｆは、それぞれ、下段のワイヤと比べてループ高さを高くしておく。このように、平面視において直線状になるワイヤ４１ｃ～４１ｆのループ高さを高くして中間部を上段に配列することで、半導体素子３３との接続端が第２の方向で両端側となるワイヤ４１ａ、４１ｂ、４１ｇ、及び４１ｈと、中間に位置するワイヤ４１ｃ～４１ｆとの長さの差を小さくすること、又は同一若しくは略同一にすることができる。このため、ワイヤの長さの違いに起因する各ワイヤのインダクタンスの差異が半導体モジュール１の動作に与える影響を小さくすることができる。
【0076】
また、半導体素子３３との接続端が第２の方向で両端側となるワイヤと、中間に位置するワイヤとの長さの差を小さくする、又は同一若しくは略同一にする場合、例えば、図９Ａに例示したように、半導体素子３３の上面におけるワイヤ４１ｃ～４１ｆの接続端の第１の方向での位置を、他のワイヤ４１ａ、４１ｂ、４１ｇ、及び４１ｃの位置よりも第２の導電板２３からの距離が長くなるように（Ｙ方向負側に）ずらしてもよい。また、図９Ａ及び図９Ｂには４列２段の例を示しているが、ワイヤ４１の中間部の配列は、これに限定されない。他の列数及び段数の組み合わせの場合、各ワイヤの長さを等しくするために、半導体素子３３の上面における接続端の位置は３通り以上であってもよい。
【0077】
【0078】
本実施の形態の半導体モジュール１を含む半導体装置１００は、上述したように、車載用モータのインバータ装置等の電力変換装置に適用され得る。図１０を参照して、本発明の半導体装置１００が適用された車両について説明する。
【0079】
図１０は、本発明に係る半導体装置を適用した車両の一例を示す平面模式図である。図１０に示す車両１０１は、例えば、４つの車輪１０２を備えた四輪車で構成される。車両１０１は、例えば、モータ等によって車輪を駆動させる電気自動車、モータの他に内燃機関の動力を用いたハイブリッド車であってもよい。
【0080】
車両１０１は、車輪１０２に動力を付与する駆動部１０３と、駆動部１０３を制御する制御装置１０４と、を備える。駆動部１０３は、例えば、エンジン、モータ、エンジンとモータのハイブリッドの少なくとも１つで構成されてよい。
【0081】
制御装置１０４は、上記した駆動部１０３の制御（例えば電力制御）を実施する。制御装置１０４は、上記した半導体装置１００を備えている。半導体装置１００は、駆動部１０３に対する電力制御を実施するように構成されてよい。
【0082】
また、上記実施の形態において、半導体素子の個数及び配置箇所は、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、上記実施の形態で例示した半導体モジュール１は、半導体素子３３と第２の導電板２３とを接続するワイヤ４１と、第３の配線部材５３との動作時の電位が異なることによる放電を抑制するものである。そのため、第３の配線部材５３は、例えば、第３の導電板２４及び第２の導電板２３とは異なる導電板に電気的に接続されたものであってもよい。また、半導体素子３３は、第３の配線部材５３が接続された第３の導電板２４と電気的に接続されていなくてもよく、平面視で第３の導電板２４と重ならない位置に配置されていてもよい。
【0083】
また、上記実施の形態において、導電板の個数及びレイアウトは、上記構成に限定されず、適宜変更が可能である。
【0084】
また、上記実施の形態では、積層基板２、導電板２２～２４、半導体素子３１～３４が平面視矩形状又は方形状に形成される構成としたが、この構成に限定されない。これらの構成は、上記以外の多角形状に形成されてもよい。
【0085】
また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
【0086】
また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【0087】
以下、上述した実施の形態における特徴点を整理する。
【0088】
上記実施の形態に係る半導体モジュールは、絶縁板の第１の表面に複数の導電板が設けられた積層基板と、前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面上に配置された半導体素子と、前記絶縁板の前記第１の表面における前記半導体素子が配置された第１の領域から第１の方向に位置する第２の領域に設けられた導電板と前記半導体素子における前記積層基板と向かい合う第１の面とは反対側の第２の面の電極とを電気的に接続する複数のワイヤと、前記第１の方向とは異なる第２の方向で前記複数のワイヤと向かい合い、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に延伸する、前記複数のワイヤと電気的に接続される前記導電板と電気的に独立した配線部材とを含み、前記複数のワイヤのうちの、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近いワイヤは、前記半導体素子との接続部と、前記導電板との接続部と、の間の中間部の前記第２の方向でみた位置が、前記２つの接続部を結ぶ線分よりも、前記配線部材から遠方にある。
【0089】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体素子の前記第１の面の電極が、前記積層基板における前記絶縁板の前記第１の表面に設けられた、前記複数のワイヤが接続される導電板とは異なる導電板と電気的に接続されており、前記配線部材は、前記半導体素子の前記第１の面の前記電極が電気的に接続された前記導電板と電気的に接続されている。
【0090】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近い前記ワイヤの前記中間部は、前記半導体素子の前記第２の面からの高さが、他のワイヤのうちの少なくとも１本のワイヤの中間部の前記半導体素子の前記第２の面からの高さと異なる。
【0091】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記第２の方向でみた前記半導体素子との接続部から前記配線部材までの距離が最も近い前記ワイヤの前記中間部は、前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向で、他のワイヤのうちの少なくとも１本のワイヤの中間部と重なる。
【0092】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記第２の方向及び前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向を含む平面で見た前記複数のワイヤの前記中間部の配列が、前記第２の方向における前記半導体素子の中心線で線対称になっている。
【0093】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記第２の方向及び前記半導体素子の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向を含む平面で見た前記複数のワイヤの前記中間部の配列は、前記複数のワイヤの総数ｎと前記第２の方向のワイヤの数ｎｃとで表される効果係数α＝（ｎ－ｎｃ）／（ｎ－１）が０．５以上である。
【0094】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記複数のワイヤは、長さが等しい。
【0095】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記複数のワイヤの、前記半導体素子の前記第２の面との接続端の前記第１の方向での位置が２通り以上である。
【0096】
上記実施の態様に係る半導体モジュールにおいて、前記複数のワイヤのうち、前記中間部の前記半導体素子の前記第２の面からの高さが異なる２本のワイヤは、前記接続端の前記第１の方向での位置が異なる。
【0097】
上記実施の態様に係る半導体装置は、上記の半導体モジュールと、前記半導体モジュールにおける前記絶縁板の前記第１の表面とは反対の第２の表面側に配置された冷却器と、を備える。
【0098】
上記実施の態様に係る車両は、上記の半導体モジュール、又は半導体装置を備える。
【産業上の利用可能性】
【0099】
以上説明したように、本発明は、動作時に電位が異なるボンディングワイヤと配線部材との間での放電を抑制することができ、小型化にも有利であるという効果を有し、特に、産業用又は電装用の半導体モジュール、半導体装置、及び車両に有用である。
【符号の説明】
【0100】
１００ 半導体装置
１ 半導体モジュール
２ 積層基板
２０ 絶縁板
２１ 放熱板
２２、２３、２４ 導電板
３１～３４ 半導体素子
４０、４０ａ～４０ｄ、４０ｐ～４０ｒ ボンディングワイヤ
４１、４１ａ～４１ｈ、４１ｐ～４１ｒ ボンディングワイヤ
５１～５３ 配線部材
１０１ 車両
１０２ 車輪
１０３ 駆動部
１０４ 制御装置
１ 半導体モジュール
２ 積層基板
２０ 絶縁板
２１ 放熱板
２２、２３、２４ 導電板
３１～３４ 半導体素子
４０、４０ａ～４０ｄ、４０ｐ～４０ｒ ボンディングワイヤ
４１、４１ａ～４１ｈ、４１ｐ～４１ｒ ボンディングワイヤ
５１～５３ 配線部材
１０１ 車両
１０２ 車輪
１０３ 駆動部
１０４ 制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10】